某型起重機拖動系統(tǒng)的設計

1、中北大學課程設計任務書 2010/2011 學年第 一 學期學 院： 信息與通信工程學院 專 業(yè)： 自動化 學 生 姓 名： 夏志廣 學號： 課程設計題目： 某型起重機拖動系統(tǒng)的設計 起 迄 日 期： 2010年12月29日2011年1月 7 日 課程設計地點： 電氣工程系實驗中心 指 導 教 師： 任一峰 系 主 任： 王忠慶 下達任務書日期: 2010 年 12 月 29 日課 程 設 計 任 務 書1設計目的：電機與電力拖動基礎是工業(yè)自動化專業(yè)的一門主要專業(yè)基礎課。它主要是研究電機與電力拖動系統(tǒng)的基本原理，以及它與科學實驗、生產(chǎn)實際之間的聯(lián)系。通過學習使學生掌握常用交、直流電機、變壓器及

2、控制電機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理；掌握電力拖動系統(tǒng)的運行性能、分析計算，電動機選擇及實驗方法等。2設計內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術參數(shù)、條件、設計要求等）：技術指標：本次設計拖動系統(tǒng)采用的是繞線式三相異步電動機：PN=60kw，nN=960r/min，UN=380V，I2N=71A，E2N=179V，Y接，m=2.26，提升重物速度v2=0.5m/s，下放重物速度v3=0.5m/s。重物最大質(zhì)量m=5000kg，吊鉤質(zhì)量m0=200kg，卷筒直徑d=0.6m，提升重物時，提升機構(gòu)傳動效率c=0.85，總數(shù)比j=30，GDR2=125N m2，GD2=1.25 GDR2，拖動額定負載。設計要求：

3、計算參數(shù)，給出設計方案。 寫出設計總結(jié)報告。3設計工作任務及工作量的要求包括課程設計計算說明書(論文)、圖紙、實物樣品等：設計啟動、調(diào)速、運行三個過程，并給出設計方案啟動參數(shù)計算 1. 確定啟動級數(shù) 2.各級啟動電阻的計算調(diào)速參數(shù)計算制動參數(shù)計算寫出設計總結(jié)報告課 程 設 計 任 務 書4主要參考文獻：1 王秀麗.電機與拖動基礎.化學工業(yè)出版社，20102 劉錦波.電機與拖動.清華大學出版社，2006 3 胡虔生，胡敏強 .電機學.中國電力出版社，20095設計成果形式及要求：(1) 課程設計說明書;(2) 電路原理圖(3) 參數(shù)計算及設計方案6工作計劃及進度：2010年 12月 29日 1月

4、 3日 資料調(diào)研1月 4日 1月 5 日 方案論證，進行詳細設計 1月 6日 1月 7 日 完成設計總結(jié)報告（附完整電路圖）1月 7日 答辯或成績考核系主任審查意見： 簽字： 年 月 日某型起重機拖動系統(tǒng)分析實驗報告一、實驗目的電機與電力拖動基礎是工業(yè)自動化專業(yè)的一門主要專業(yè)基礎課。它主要是研究電機與電力拖動系統(tǒng)的基本原理，以及它與科學實驗、生產(chǎn)實際之間的聯(lián)系。通過學習使學生掌握常用交、直流電機、變壓器及控制電機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理；掌握電力拖動系統(tǒng)的運行性能、分析計算，電動機選擇及實驗方法等。二、實驗內(nèi)容（一）起重機拖動系統(tǒng)原理圖圖1 起重機拖動系統(tǒng)原理圖（二）交流電動機的主要技術參數(shù)本次設

5、計拖動系統(tǒng)采用的是繞線式三相異步電動機：PN=60kw，nN=960r/min，UN=380V，I2N=71A，E2N=179V，Y接，m=2.26，提升重物速度v2=0.5m/s，下放重物速度v3=0.5m/s。重物最大質(zhì)量m=5000kg，吊鉤質(zhì)量m0=200kg，卷筒直徑d=0.6m，提升重物時，提升機構(gòu)傳動效率c=0.85，總數(shù)比j=30，GDR2=125N m2，GD2=1.25 GDR2，拖動額定負載。（三）速度圖如圖2所示圖 2加速階段為t1；t2為等速階段：以v1速度勻速運行。t3為調(diào)速階段：以v2速度勻速運行，v2=0.6v1。t4為減加速階段：以最大減加速度減速，速度由v2

6、變換到v3；t5為等速階段：以v3勻速運行；t6為減速階段：由v3減速到0。三、 設計方案以及相關原理敘述1.起重機拖動系統(tǒng)的運行方案（1）.加速階段t1:該階段是起動階段，采用了轉(zhuǎn)子串電阻的分級起動。（2）.等速階段t2：以v1速度勻速運行（3）.調(diào)速階段t3：以v2速度勻速運行，v2=0.6v1,該階段采用了改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速中的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。（4）.減加速階段t4：以最大減加速度減速，速度由v2變換到v3，該階段采用了定子兩相反接的反接制動。（5）.為等速階段t5：以v3勻速運行(6）.減速階段t6：由v3減速到0，該階段采用了定子兩相反接的反接制動2 起重機拖動系統(tǒng)的起動方案繞線式三相異

7、步電動機的起動方法有：轉(zhuǎn)子串電阻的分級起動；轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器的起動。為了使起動過程中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化盡可能平穩(wěn)，經(jīng)分析在設計中選用了轉(zhuǎn)子串電阻的分級起動。l 轉(zhuǎn)子串電阻的分級起動的原理起動時，在轉(zhuǎn)子電路串接起動電阻器，借以提高起動轉(zhuǎn)矩，同時因轉(zhuǎn)子電阻增大也限制了起動電流；起動結(jié)束，切除轉(zhuǎn)子所串電阻。為了在整個起動過程中得到比較大的起動轉(zhuǎn)矩，需分幾級切除起動電阻。起動接線圖和特性曲線如圖3所示。圖3 繞線式異步電動機起動接線圖和特性曲線 (1) 接觸器觸點KM1、KM2、KM3全斷開(接觸器的控制由第五篇電器控制技術討論)，電動機定子接額定電壓，轉(zhuǎn)子每相串入全部電阻。如正確選取電阻的阻值，使轉(zhuǎn)子回

8、路的總電阻值=X1+X2(注意r2是轉(zhuǎn)子一相繞組本身的電阻與串加電阻總和的折算值)，則由式Sm =r2/(X1+X2) 可知，此時Sm=1,最大Temax=3pU12/4f1(X1+X2) 就產(chǎn)生在電動機起動的瞬間，如圖8.8中曲線0中a點，起動轉(zhuǎn)矩Ts1。1(2) 由于Ts1TL (負載轉(zhuǎn)矩)電動機加速到b點時，T=Ts2，為了加速起動過程，接觸器KM1閉合，切除起動電阻R，特性變?yōu)榍€1，因機械慣性，轉(zhuǎn)速瞬時不變，工作點水平過渡到c點，使該點T=Ts1。 (3) 因Ts1TL，轉(zhuǎn)速沿曲線1繼續(xù)上升，到d點時KM2閉合，R被切除，電動機運行點從d轉(zhuǎn)變到特性曲線2上的e點。依次類推，直到切除全

9、部電阻，電動機便沿著固有特性曲線3加速，經(jīng)h點，最后運行于i點(T=TL)。 上述起動過程中，轉(zhuǎn)子三相繞組所接電阻平衡，另外三級平衡切除，故稱為三級起動。在整個起動過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩都是比較大的，適合于容量較大的設備，重載起動的情況，廣泛用于橋式起重機、卷揚機、龍門吊車等重載設備；對于一些容量較小的設備，轉(zhuǎn)子三相繞組所接電阻也可以不平衡，同樣，在切除時，也要進行非平衡切換。轉(zhuǎn)子串電阻起動的缺點是所需起動設備較多，起動時有一部分能量消耗在起動電阻上，起動級數(shù)也較少。 注意：轉(zhuǎn)子三相繞組所接電阻并非越大越好，若出現(xiàn)r2X1+X2的情況，即起動于圖中特性曲線4上面，起動轉(zhuǎn)矩T3,T3Tmax=Ts1。

10、所以，轉(zhuǎn)子三相繞組所接電阻要適當。3起重機拖動系統(tǒng)的調(diào)速方案繞線式三相異步電動機的調(diào)速方法有：變級調(diào)速；變頻調(diào)速；改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。變級調(diào)速有：從星形改成雙星形，三角形改成雙星形；變頻調(diào)速有：從基頻向下調(diào)變頻調(diào)速 ，從基頻向上調(diào)變頻調(diào) ；改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速有：改變定子電壓調(diào)速 ，轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速 ，串級調(diào)速 。通過分析，由于調(diào)速時間短，設計中選用了改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速中的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。l 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的原理繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻的機械特性如圖4所示。轉(zhuǎn)子串電阻時最大轉(zhuǎn)矩不變，臨界轉(zhuǎn)差率加大。所串電阻越大，運行段特性斜率越大。若帶恒轉(zhuǎn)矩負載，原來運行在固有特性曲線1的a點上，在轉(zhuǎn)子串電阻R1后，就運

11、行的b點上，轉(zhuǎn)速由na變?yōu)閚b，依此類推。 圖4轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的機械特性 根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩參數(shù)表達式，當T為常數(shù)且電壓不變時，則有r2/Sa=(r2+R1)/Sb= 常數(shù) 因而繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速時調(diào)速電阻的計算公式為 R1=(Sb/Sa -1)/ r2 式中 Sa轉(zhuǎn)子串電阻前電動機運行的轉(zhuǎn)差率； Sb轉(zhuǎn)子串入電阻R1后新穩(wěn)態(tài)運行時電動機的轉(zhuǎn)差率； r2轉(zhuǎn)子每相繞組電阻 盡管繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方案在低速時運行效率較低，但由于這種調(diào)速方式具有起動平滑、可以額定轉(zhuǎn)矩起動、起動電流小、調(diào)速范圍寬和投資小等優(yōu)點，因而對于起動負載能在一定范圍內(nèi)得到應用。4.起重機拖動系統(tǒng)的制動方案制

12、動指的是電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速方向相反的一種運行狀態(tài)。繞線式三相異步電動機的制動方法有：能耗制動，反接制動，回饋制動。反接制動有：轉(zhuǎn)速反向的反接制動；定子兩相反接的反接制動。通過分析在設計中，t4、t6都采用了轉(zhuǎn)速反向的反接制動。l 轉(zhuǎn)速反向的反接制動的原理轉(zhuǎn)速反向的反接制動與直流電動機的電勢反接制動相似。異步電動機帶位能性負載，按正轉(zhuǎn)接線，轉(zhuǎn)子回路串入較大電阻Rf，機械特性的最大轉(zhuǎn)矩點到了第IV象限。當接通電源，電動機的起動轉(zhuǎn)矩的方向與重物G產(chǎn)生的負載轉(zhuǎn)矩相反，而且Tst1,P2為負），同時，定子又通過氣隙向轉(zhuǎn)子輸送電功率，這兩部分合起來消耗在轉(zhuǎn)子電路的總電阻R2+Rf中。四、相關參數(shù)公式推導1

13、啟動參數(shù)計算機械特性的實用公式 T=2mTN/(Sm/S+S/Sm) 機械特性曲線S=Smm*TN/T-(m*TN/T)2-1)=Sm轉(zhuǎn)矩函數(shù)：=m*TN/T-(m*TN/T)2-1)最大起動轉(zhuǎn)矩TS1的轉(zhuǎn)矩函數(shù)：1=m*TN/Ts1-(m*TN/ Ts1)2-1)切換轉(zhuǎn)矩TS2的轉(zhuǎn)矩函數(shù)：2=m*TN/Ts2-(m*TN/ Ts2)2-1)額定轉(zhuǎn)矩TN的轉(zhuǎn)矩函數(shù)：n=m -(m2-1)代入數(shù)據(jù)得：n=0.2333取TS1=0.84m TN,取TS21.1 TN,SN=(n1-nN)/n1=0.04回路的總電阻之間的公比q=1/2=1.67級數(shù)m=ln(n/(1*sN)/lnq=5取m=5,重

14、新計算q=4(n/(1* SN)=1.672=1/q=0.2929 Ts2=2m*2/(1+22)=1.2193 TN1.1 TN滿足條件，所以m=5，q=1.67r2= SN E2N/3I2N=0.0582各級起動時的轉(zhuǎn)子回路總電阻: R1=q1 r2=0.0972 R2=q2 r2=0.1623 R3=q3r2=0.2711 R4=q4 r2=0.4527 R5=q5 r2=0.7560 各級起動時轉(zhuǎn)子回路外串起動電阻： Rz1=R1-r2=0.0138 Rz2=R2- Rz1=0.0651 Rz3=R3-Rz2=0.1087 Rz4=R4-Rz3=0.1815 Rz5=R5-Rz4=0.

15、3033 2調(diào)速參數(shù)計算 n1=60*f1/p=1000r/min SN=(n1-nN)/n1=(1000-960)/1000=0.04 v2=0.5m/s nB=j*v2*60/d=478r/min v3=-0.5m/s nC=j*v3*60/d= -478r/min v1=v2/0.6 nA=nB/0.6=796r/minsA=(n1-nA)/N1=0.204 sB=(n1-nB)/n1=0.522 sB/sA=(r2+R 1)/r2 解得 R 1=(sB/sA-1)*r2=0.093制動參數(shù)計算（1）t4階段用的是轉(zhuǎn)速反向的反接制動：=83.333rad/snB= *60/2=796r/

16、minnC=0.6*nB=-478r/minsA=(1000-796)/1000=0.204sB=(1000-476)/1000=0.522sB/sC=（r2+ R1）/（r2+ R1+R2）得 R2=0.2714 (2) t6階段用的是轉(zhuǎn)速反向的反接制動SD=(n1-0)/n1=1 SC/SD=（r2+ R1+R2）/( r2+ R1+R2+ R3) R3=0.20 課程設計心得：兩周的課程設計結(jié)束了，在這次的課程設計中不僅檢驗了我所學習的知識，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。課程設計是我們專業(yè)課程知識綜合應用的實踐訓練，著是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程”千里之行始于足下”，通過這次課程設計，我深深體會到這句千古名言的真正含義我今天認真的進行課程設計